非常規(guī)油氣水平井固井關(guān)鍵技術(shù)研究與應(yīng)用

劉 成 貴

（勝利石油管理局黃河鉆井總公司，山東東營(yíng) 257064）

水平井固井存在下套管摩阻大、提高頂替效率難度大等難題。人們圍繞水平井固井，就水平井下套管方法、水泥漿與隔離液的設(shè)計(jì)、提高頂替效率的施工工藝等進(jìn)行了諸多研究，提出了利用漂浮接箍減小下套管阻力、篩管完井頂部注水泥、改善水泥漿體系、利用液壓扶正器提高套管居中度等針對(duì)水平井的固井工藝技術(shù)和措施［1］。以上這些措施大多局限于部分解決下套管及固井質(zhì)量的問(wèn)題，而在水泥漿體系滿(mǎn)足固井質(zhì)量要求的情況下，提高水平段套管居中度和頂替效率成為水平井固井要解決的關(guān)鍵問(wèn)題，水平井段的固井質(zhì)量更多取決于水泥漿頂替鉆井液的頂替效率。目前致密砂巖、頁(yè)巖等非常規(guī)資源的開(kāi)發(fā)多利用水平井，水平井段的固井質(zhì)量還要滿(mǎn)足大型壓裂的需要，因此對(duì)水平井固井質(zhì)量提出了更高的要求，需要在分析水平井及非常規(guī)油氣井固井難點(diǎn)的基礎(chǔ)上，結(jié)合每口井的特點(diǎn)，綜合采用合理的工藝技術(shù)措施，全面改善非常規(guī)油氣水平井固井質(zhì)量。

1 水平井固井技術(shù)特點(diǎn)分析

1.1 井身軌跡與套管居中度

理想的固井質(zhì)量要求是套管外的環(huán)空完全由高質(zhì)量的水泥充填，套管與井壁及套管壁間實(shí)現(xiàn)良好膠結(jié)，從而達(dá)到層間封隔的目的。因此，提高油氣井固井質(zhì)量首先要解決頂替效率的問(wèn)題［1］，而提高套管居中度是提高頂替效率的重要條件。

提高套管居中度的普遍方法是采用套管扶正器。套管扶正器安放間距的計(jì)算方法有很多，都考慮了套管居中程度與下套管摩阻的問(wèn)題。需要指出的是，合理的扶正器設(shè)計(jì)是降低下套管摩阻的重要途徑。在水平井中，套管受到的載荷要比直井中更為復(fù)雜，套管居中的問(wèn)題尤為突出。一般多數(shù)認(rèn)為在定向和水平井段中，套管會(huì)由于重力作用靠近下井壁，而從整個(gè)井眼空間來(lái)看，由于受局部井眼曲率和方位變化及套管剛度的影響，套管可能會(huì)靠近井眼圓周的任何一個(gè)方向［2］。沒(méi)有扶正器的套管柱一旦與井壁接觸，其接觸面積有逐漸增大的趨勢(shì)，勢(shì)必增大下套管的摩阻，甚至卡套管，類(lèi)似于壓差卡鉆；而帶有扶正器的套管柱，扶正器與井壁之間是相對(duì)的點(diǎn)接觸，同時(shí)阻止了套管本體與井壁接觸面積的進(jìn)一步擴(kuò)展，因而合理的扶正器間距可以降低下套管摩阻［3］。

下套管摩阻還受到井身軌跡平滑程度、濾餅?zāi)Σ烈驍?shù)和套管剛度等因素影響，需要根據(jù)具體的井眼條件和鉆井液性能合理設(shè)計(jì)扶正器間距，保證套管順利下入，達(dá)到盡可能提高套管居中度的目的［4］。

1.2 鉆井液性能與頂替效率

在斜井段及水平段鉆進(jìn)時(shí)易形成巖屑床，在井眼低側(cè)形成鉆井液的固相沉降，從而使鉆井液頂替不干凈。要達(dá)到將封固井段內(nèi)的鉆井液替凈的目的，首先要求鉆井液具有易于被頂替的性能，即具有合適的流變性。一般情況下，在維護(hù)井壁穩(wěn)定、提高鉆井液的動(dòng)塑比提高攜砂能力的同時(shí)，要求鉆井液具有較低的黏度和切力，這樣在居中度相對(duì)較低的井段鉆井液才更容易被頂替。而即使是較高的居中度，高黏切的鉆井液頂替起來(lái)也會(huì)十分困難，特別在施工過(guò)程可能出現(xiàn)的停泵或返速降低的情況下，恢復(fù)循環(huán)需要克服鉆井液結(jié)構(gòu)力，一定程度上會(huì)造成局部或大段的鉆井液滯留。較高的摩阻系數(shù)會(huì)產(chǎn)生較高的循環(huán)和頂替壓力，不利于采用大排量達(dá)到紊流流態(tài)，從而不利于井眼內(nèi)鉆井液的清除［1-5］。

1.3 沖洗液和隔離液的性能

在水泥漿前部注入的沖洗液和隔離液要求具有與鉆井液的相容性、改善親水環(huán)境（特別是使用油基鉆井液）、提高水泥與地層和套管壁的膠結(jié)質(zhì)量等特性，同時(shí)需要有足夠的接觸時(shí)間來(lái)達(dá)到這一目的［6-8］。行業(yè)內(nèi)普遍認(rèn)可的紊流接觸時(shí)間為7～10 min，但在現(xiàn)場(chǎng)往往受到井壁穩(wěn)定性和井眼規(guī)則程度的限制。沖洗液的量過(guò)大會(huì)引起井壁失穩(wěn)；黏性隔離液要達(dá)到驅(qū)替鉆井液的目的，需要有較高的黏度和切力，達(dá)到紊流流態(tài)具有一定的難度，特別在井徑變化較大時(shí)，實(shí)現(xiàn)紊流頂替較為困難，即使較長(zhǎng)的接觸時(shí)間也難以達(dá)到替凈的目的；在水平井段穿越地層不均質(zhì)、巖性不一致時(shí)，易出現(xiàn)“糖葫蘆”井眼，這一矛盾更為突出。因此要在井下安全的前提下，盡可能加大前置液注入量，確保足夠的接觸時(shí)間，同時(shí)還要針對(duì)井徑不規(guī)則的特殊問(wèn)題，設(shè)計(jì)合理的隔離液性能，滿(mǎn)足驅(qū)替效果。

1.4 水泥漿體系的性能

一般要求水平井固井的水泥漿體系除了水泥石的抗壓強(qiáng)度和稠化時(shí)間滿(mǎn)足施工要求外，還要具有低失水（＜50 mL）、零游離液，避免在井眼上側(cè)形成游離液上竄通道；較好的沉降穩(wěn)定性有利于充分頂替和形成均勻的水泥環(huán)。此外，水平井固井水泥漿體系設(shè)計(jì)還要注意：（1）在進(jìn)行失水和游離液測(cè)定時(shí)要模擬水平井條件，將旋轉(zhuǎn)失水儀或測(cè)試量筒傾斜45°進(jìn)行測(cè)量［1］；（2）在同一地層水平穿越井段長(zhǎng)，井底循環(huán)溫度要比常規(guī)溫度高，水泥漿實(shí)驗(yàn)溫度一般取井底靜止溫度的85%，在此溫度下確定合理的水泥漿稠化時(shí)間，同時(shí)還要滿(mǎn)足直角稠化的要求；（3）為提高水泥漿紊流條件下頂替鉆井液的效率，水泥漿的靜切力和動(dòng)切力應(yīng)比鉆井液高；（4）環(huán)空漿柱組合，特別是前置液與水泥漿的設(shè)計(jì)要考慮平衡壓力固井的需要，既要降低環(huán)空動(dòng)態(tài)液柱壓力，降低流動(dòng)摩阻，避免井漏，又要防止環(huán)空壓力較低造成地層失穩(wěn)，或候凝過(guò)程失重導(dǎo)致地層流體竄入。

2 F116 區(qū)塊非常規(guī)油氣水平井固井難點(diǎn)

F116 區(qū)塊為致密砂巖非常規(guī)開(kāi)發(fā)區(qū)塊，油藏埋深2 800～3 000 m。F116-2HF 井為該區(qū)塊第1 口非常規(guī)水平井，井深3 912 m，水平段長(zhǎng)920 m，該井固井時(shí)遇到了以下問(wèn)題，導(dǎo)致固井質(zhì)量未能達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。

（1）目的層鉆井過(guò)程中鉆遇多段泥巖地層，并出現(xiàn)大量掉塊，為維護(hù)井壁穩(wěn)定并充分?jǐn)y砂，鉆井液黏度、切力較高，不利于水泥漿的頂替。

（2）水平段較長(zhǎng)，且穿過(guò)較多的易坍塌掉塊地層，給套管扶正器下入造成一定困難；套管扶正器下入較多會(huì)增大環(huán)空循環(huán)摩阻，因此該井水平段僅下入12 只剛性扶正器，套管居中程度差，固井質(zhì)量檢測(cè)結(jié)果表明，在扶正器附近的井段水泥環(huán)質(zhì)量相對(duì)較好。

（3）地層不穩(wěn)定限制了固井前充分循環(huán)及對(duì)鉆井液性能進(jìn)行大幅調(diào)整，對(duì)有效頂替影響較大，同時(shí)也限制了沖洗液和隔離液的用量，使固井頂替效率大大降低。

（4）固井要求水泥上返至井口，封固段在4 000 m左右，注入的水泥漿及前置液的量不易準(zhǔn)確把握，固井過(guò)程一旦出現(xiàn)竄槽，直接影響全井段固井質(zhì)量。

（5）鉆井液黏切高，使循環(huán)摩阻增大，不利于大排量頂替提高頂替效率。

3 非常規(guī)油氣水平井固井技術(shù)對(duì)策

通過(guò)對(duì)水平井固井技術(shù)難點(diǎn)的分析及F116 區(qū)塊非常規(guī)油氣水平井固井面臨的特殊問(wèn)題，圍繞提高頂替效率的目標(biāo)，在F116 等非常規(guī)開(kāi)發(fā)區(qū)塊重點(diǎn)采取了以下措施，有效提高了固井質(zhì)量。

3.1 下套管前通井技術(shù)措施

（1）模擬原鉆具剛度通井，確保扶正器數(shù)量和套管順利下入。

（2）維持完鉆鉆井液性能，在下套管前不對(duì)鉆井液進(jìn)行大幅度的性能調(diào)整，確保井壁穩(wěn)定。

（3）大排量循環(huán)洗井，對(duì)通井遇阻井段進(jìn)行劃眼和反復(fù)短起下，徹底清洗巖屑床。

（4）通井后期，循環(huán)泵壓及返出鉆井液性能穩(wěn)定后，測(cè)循環(huán)周，估算井筒容積，為確定水泥漿量等提供參考依據(jù)。

（5）起鉆前在造斜段及水平段注入潤(rùn)滑鉆井液，提高鉆井液潤(rùn)滑性。

3.2 下套管操作特別要求

下套管主要應(yīng)做到連續(xù)下入，縮短鉆井液靜止時(shí)間，避免過(guò)高的結(jié)構(gòu)力形成，為后期循環(huán)和充分調(diào)整鉆井液性能奠定基礎(chǔ)。

（1）做好下套管作業(yè)前的準(zhǔn)備工作，縮短下套管過(guò)程的停頓時(shí)間。

（2）采用逐根灌漿措施，并縮短鉆井液灌滿(mǎn)的周期，減少中途灌漿的時(shí)間；直井段灌漿時(shí)可以適當(dāng)活動(dòng)套管；下入斜井段之前一定要灌滿(mǎn)鉆井液，盡可能保持斜井段及水平段下入的連續(xù)性。

（3）控制套管下放速度。直井段下放速度保證環(huán)空上返速度小于0.8 m/s；進(jìn)入造斜段和水平井段，上返速度小于0.5 m/s。

3.3 扶正器設(shè)計(jì)原則及方法

（1）水平段全部采用剛性扶正器，在每?jī)蓚€(gè)壓裂段之間加大扶正器的安放密度，確保壓裂段之間的封固質(zhì)量，滿(mǎn)足后期壓裂層間封隔的需要。

（2）扶正器的位置宜放在井眼較規(guī)則、井壁穩(wěn)定的井段。

（3）造斜段采用剛性扶正器與彈性扶正器交替安放的方法。

3.4 前置液設(shè)計(jì)

（1）前置液采用沖洗液+隔離液組合。根據(jù)井下條件，不低于8～12 m3，約占環(huán)空高度300～400 m，以充分延長(zhǎng)與井壁接觸時(shí)間，達(dá)到較好的清洗效果。

蘋(píng)果樹(shù)是落葉喬木，屬薔薇科，原產(chǎn)歐洲及亞洲中部，栽培歷史已久，在全世界溫帶地區(qū)廣泛種植，在我國(guó)遼寧、河北、山東、山西、陜西等地常見(jiàn)栽培，是我國(guó)北方地區(qū)重要的經(jīng)濟(jì)作物。相較于其他果樹(shù)，蘋(píng)果樹(shù)具有極強(qiáng)的生命力和適應(yīng)性，即使是較為貧瘠的土地也可以生長(zhǎng)，蘋(píng)果樹(shù)的生長(zhǎng)需要寒冷干燥的環(huán)境，并保持充足的日照量。但是，蘋(píng)果樹(shù)的高產(chǎn)僅僅依靠天然土壤和光照是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，本文將從蘋(píng)果園的建園選址，果樹(shù)栽培以及科學(xué)管理三方面探析蘋(píng)果樹(shù)高產(chǎn)栽培技術(shù)。

（2）沖洗液采用驅(qū)油活性劑+降失水劑+分散劑+水配置。

（3）隔離液采用有效層流隔離液［6］，由驅(qū)油活性劑+降失水劑+分散劑+加重材料+懸浮劑+水配置。

（4）沖洗液和隔離液的具體數(shù)量分配比例根據(jù)井壁穩(wěn)定性和鉆井液性能合理設(shè)計(jì)。

（5）保持鉆井液、隔離液與水泥漿的合理密度梯度，提高頂替效率。

3.5 水泥漿體系設(shè)計(jì)

由于封固井段長(zhǎng)，為避免水泥凝固過(guò)程的失重，采用多凝水泥漿柱結(jié)構(gòu)［7-8］。根據(jù)地層壓力和完鉆鉆井液性能，上部水泥漿充填井段采用低密度水泥漿體系，其密度高于鉆井液密度0.10～0.20 g/cm3，稠化時(shí)間300～360 min，失水不超過(guò)150 mL；中部采用中高溫降失水水泥漿體系，其密度控制在1.87～1.90 g/cm3，稠化時(shí)間180～210 min，失水量小于70 mL；水平井段采用增韌微膨脹水泥漿體系，其密度控制在1.90～1.95 g/cm3，稠化時(shí)間120～150 min，失水量小于50 mL，游離液為0。

3.6 循環(huán)洗井及鉆井液性能調(diào)整［9］

（1）下完套管后小排量開(kāi)泵頂通，防止壓力激動(dòng)憋漏地層或憋泵。

（2）開(kāi)始循環(huán)時(shí)，應(yīng)維持下套管前的鉆井液性能，以利于井眼清洗。根據(jù)循環(huán)壓力和鉆井液性能變化逐步提高循環(huán)排量，觀察循環(huán)泵壓及返出情況，待泵壓及鉆井液性能穩(wěn)定后，大排量循環(huán)2 周以上，徹底清除井內(nèi)巖屑。

（3）正常循環(huán)時(shí)測(cè)量循環(huán)周，估算井筒容積，并與通井時(shí)測(cè)得的井筒容積進(jìn)行對(duì)比，以最終確定水泥漿量。

（4）待井眼清洗干凈后，在保證井壁穩(wěn)定的條件下，在注水泥前的1～2 個(gè)循環(huán)周內(nèi)，適當(dāng)降低鉆井液的黏度和切力，降低循環(huán)摩阻，提高鉆井液的易頂替性，為提高水泥漿頂替效率奠定基礎(chǔ)。

（5）在井下條件允許的情況下，可在注水泥前注入無(wú)固相或低固相鉆井液，提高對(duì)原鉆井液的頂替效率。

3.7 固井施工過(guò)程控制

固井施工參數(shù)的設(shè)計(jì)上要以安全施工和提高頂替效率為出發(fā)點(diǎn)，合理設(shè)計(jì)施工排量，減輕U 型管效應(yīng)。施工過(guò)程中在滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求的施工參數(shù)基礎(chǔ)上，主要應(yīng)保持連續(xù)施工，目的同樣是為減少鉆井液靜止時(shí)間，避免結(jié)構(gòu)力形成，實(shí)現(xiàn)連續(xù)頂替，保證頂替效率。

（1）做好施工前準(zhǔn)備工作，縮短井口水泥頭安裝、連接時(shí)間，避免鉆井液靜止。

（2）水泥頭安裝完畢后繼續(xù)開(kāi)泵循環(huán)，恢復(fù)鉆井液流動(dòng)性，停泵后直接進(jìn)行前置液和水泥漿泵注。

（3）前置液和水泥漿的注入排量不應(yīng)超過(guò)最終的頂替排量，以防止砂橋憋泵。

（4）水泥漿返出套管時(shí)，增大注水泥漿排量，盡量使水泥漿返出套管時(shí)達(dá)到紊流速度。

（5）壓膠塞操作與隨后的開(kāi)泵頂替應(yīng)迅速、連續(xù)，保證環(huán)空流動(dòng)的有效銜接，減少U 型管效應(yīng)的影響。

（6）頂替排量根據(jù)環(huán)空返速（1.0 m/s 左右）控制。

（7）計(jì)算施工壓力如果不超過(guò)設(shè)備能力，可以在造斜段及水平段替入輕質(zhì)鉆井液或清水，增大套管上浮力；直井段替入加重鉆井液，以降低替漿壓力，滿(mǎn)足大排量頂替要求。

4 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

截至2012 年底，采用以上技術(shù)措施進(jìn)行了12 口井的固井施工作業(yè)，固井質(zhì)量都得到了明顯提高。以F116-1HF 井為例。該井完鉆井深4 002 m，水平段長(zhǎng)920 m ，水平位移1 405 m。根據(jù)完井設(shè)計(jì)，該井水平段分為5 個(gè)壓裂井段，在每?jī)蓚€(gè)壓裂段之間的位置分別連續(xù)加5 只剛性扶正器，入窗點(diǎn)以上及套管鞋以上分別每隔1 根套管連續(xù)加2～3 只剛性扶正器，直井段每3 根套管加1 只彈性扶正器。全井共下入剛性扶正器25 只，彈性扶正器72 只。

完鉆時(shí)鉆井液密度1.35 g/cm3，黏度105 s，切力6/22 Pa。下套管后至固井施工前，逐步調(diào)整至黏度63 s，切力4/8 Pa。

固井前循環(huán)排量2.0 m3/min，壓力6.5 MPa；注入驅(qū)油型沖洗液6 m3，隔離液6 m3，密度1.55～1.60 g/cm3；注低密度水泥102 m3，密度1.38～1.43 g/cm3， 稠化時(shí)間320 min；常規(guī)密度低失水緩凝水泥漿30 m3，密度1.85～1.95 g/cm3；增韌微膨脹水泥漿35 m3，密度1.90～2.00 g/cm3，注水泥排量1.6～1.8 m3/min。 泵替原井漿21.5 m3，加重鉆井液20 m3，密度1.50 g/cm3，排量2.0 m3/min，壓力0～12 MPa，施工正常。從固井質(zhì)量測(cè)井結(jié)果來(lái)看，水平井段膠結(jié)良好占60.29%，膠結(jié)中等占34.28%，膠結(jié)不好占5.43%，較F116-2HF 井有了大幅提高。

5 結(jié)論

（1）提高非常規(guī)油氣水平井固井質(zhì)量除了滿(mǎn)足水泥漿性能要求外，重點(diǎn)要從提高頂替效率入手，包括提高套管居中度、改善鉆井液潤(rùn)滑性和易頂替性、設(shè)計(jì)合理的液體（沖洗液、隔離液、水泥漿等）流變參數(shù)、保證施工連續(xù)性等措施。

（2）合理設(shè)計(jì)扶正器安放位置是提高套管居中度的必要手段，為降低下入扶正器產(chǎn)生的摩阻，還要從鉆出平滑的井眼軌跡、規(guī)則的井眼、提高鉆井液潤(rùn)滑性等方面采取措施。

（3）針對(duì)水平井段的巖性特點(diǎn)采用的鉆井液體系，既要滿(mǎn)足充分?jǐn)y巖、維護(hù)井壁穩(wěn)定的目的，又要考慮降低摩阻、實(shí)現(xiàn)紊流頂替的需要；固井前宜采用低黏切、高動(dòng)塑比的鉆井液，以利于提高頂替 效率。

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